Ядерный синтез — это процесс, который Солнце использует для производства энергии. Но попытки воспроизвести этот процесс здесь, на Земле, потребовали больше энергии для их запуска, чем они генерируют (наши существующие атомные станции используют деление). Теперь команда, возглавляемая центром плазменной науки и термоядерного синтеза Массачусетского технологического института и компанией MIT spinout Commonwealth Fusion Systems, разработала и испытала технологию высокотемпературных сверхпроводников (HTS), которая может гарантировать, что высокоэффективные магниты, необходимые термоядерному реактору, останутся стабильными. Это означает, что этот супер-кабель VIPER, используемый в их термоядерном реакторе SPARC, должен позволить производство большего количества энергии, чем потребляется, что никогда ранее не демонстрировалось. В случае успеха и дальнейших улучшений мы могли бы иметь неисчерпаемый и неуглеродный источник энергии в течение десятилетия. Леда Циммерман из MIT News рассматривает сверхпроводящую технологию, которая оказывается надежной и простой в обслуживании. Следующая веха — середина 2021 года, когда они построят многотонную модель магнита для реактора SPARC.
В течение последних нескольких лет новаторская технология высокотемпературных сверхпроводников (HTS) породила новое видение для достижения практической термоядерной энергии. Этот подход, известный как высокополевой путь к термоядерному синтезу, направлен на создание термоядерного синтеза в компактных устройствах в более короткие сроки и с меньшими затратами, чем альтернативные подходы.
Однако ключевой технической задачей для реализации этого видения было заставить сверхпроводники HTS работать интегрированным образом при разработке новых высокоэффективных сверхпроводящих магнитов, которые обеспечат более высокие магнитные поля, чем предыдущие поколения магнитов, и будут играть центральную роль в ограничении и контроле плазменных реакций.
SPARC: термоядерная энергия через 10 лет?
Эта разработка последовала за недавним толчком к развитию высокопольного пути, когда 47 исследователей из 12 институтов опубликовали семь статей в Journal of Plasma Physics, показывающих, что термоядерное устройство с сильным полем, названное SPARC, построенное с такими магнитами, будет производить чистую энергию — больше энергии, чем потребляет, — что никогда ранее не демонстрировалось.
«Кабельная технология для SPARC является важной частью головоломки, поскольку мы работаем над ускорением сроков достижения термоядерной энергии», — говорит Хартвиг, доцент ядерной науки и техники и руководитель исследовательской группы В PSFC. «Если мы добьемся успеха в том, что мы делаем, и в других технологиях, термоядерная энергия начнет влиять на смягчение последствий изменения климата — не через 100 лет, а через 10 лет».
VIPER: супер-кабель
Инновационная технология, описанная в статье, представляет собой сверхпроводящий кабель, который проводит электричество без сопротивления или тепловыделения и который не разрушается в экстремальных механических, электрических и тепловых условиях. Фирменный VIPER (акроним, обозначающий пропитанный под вакуумом, изолированный, частично транспонированный, экструдированный и рулонный) состоит из коммерчески производимых тонких стальных лент, покрытых соединением HTS — иттрий-барий-оксид меди — которые упаковываются в сборку медных и стальных компонентов для формирования кабеля. Криогенный хладагент, такой как сверхкритический гелий, может легко протекать через кабель, чтобы отводить тепло и сохранять кабель холодным даже в сложных условиях.
«Одним из наших достижений было выяснение способа припаять ленту HTS внутри кабеля, эффективно сделав его монолитной структурой, где все термически соединено», — говорит Сорбом.
Тем не менее, VIPER также можно преобразовать в изгибы и повороты, используя суставы для создания «почти любого типа геометрии», — добавляет он. Это делает кабель идеальным строительным материалом для намотки в катушки, способные генерировать и содержать магнитные поля огромной силы, такие как те, которые необходимы для создания термоядерных устройств, существенно меньших, чем в настоящее время предполагаются термоядерные устройства с чистой энергией.
Упругий и прочный
«Ключевая вещь, которую мы можем сделать с помощью кабеля VIPER, — это сделать магнитное поле в два-три раза сильнее по размеру, чем требуется нынешнему поколению технологии сверхпроводящих магнитов»”, — говорит Хартвиг.
Величина магнитного поля в токамаках играет сильную нелинейную роль в определении характеристик плазмы. Например, плотность мощности термоядерного синтеза масштабируется как магнитное поле до четвертой мощности: удвоение поля увеличивает мощность термоядерного синтеза в 16 раз или, наоборот, та же выходная мощность термоядерного синтеза может быть достигнута в устройстве в 16 раз меньшем по объему.
«При разработке высокополевых магнитов для термоядерного синтеза кабели HTS являются важным ингредиентом», — говорит Сорен Престемон, директор американской программы развития магнитов в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли, который не участвовал в этих исследованиях. «VIPER — это прорыв в области кабельной архитектуры — возможно, первый кандидат, который будет доказан жизнеспособным для термоядерного синтеза — и позволит сделать критический шаг вперед к демонстрации в термоядерном реакторе».
Опасности «гашения»
Технология VIPER также представляет собой мощный подход к решению конкретной проблемы в сверхпроводящем магнитном поле, называемом гашением, «который пугал инженеров с тех пор, как они начали строить сверхпроводящие магниты», — говорит Хартвиг. Гашение — это резкое повышение температуры, которое происходит, когда холодные кабели больше не могут проводить электрический ток без какого-либо сопротивления. Когда происходит гашение, вместо того, чтобы генерировать почти нулевое тепло в сверхпроводящем состоянии, электрический ток генерирует значительный резистивный нагрев в кабеле.
«Быстрое повышение температуры может привести к тому, что магнит потенциально повредит или разрушит себя, если электрический ток не будет отключен», — говорит Хартвиг. «Мы хотим избежать этой ситуации или, если нет, то, по крайней мере, узнать о ней как можно скорее и наверняка».
Команда использовала два типа оптоволоконных технологий с измерением температуры, разработанных сотрудниками ЦЕРНа и исследовательского института Робинсона. Волокна показали — впервые на полномасштабных кабелях HTS и в репрезентативных условиях слияния магнитов с высоким магнитным полем — чувствительное и высокоскоростное обнаружение изменений температуры вдоль кабеля для мониторинга начала гашения.
Простота обслуживания
Еще одним ключевым результатом стало успешное внедрение легко изготавливаемых соединений с низким электрическим сопротивлением и механической прочности между кабелями VIPER. Сверхпроводящие соединения часто сложны в изготовлении и с большей вероятностью выходят из строя, чем другие части магнита; VIPER был разработан для устранения этих проблем.
Соединения VIPER имеют дополнительное преимущество в том, что они съемные, а это означает, что их можно разобрать и повторно использовать без какого-либо влияния на производительность.
Престемон отмечает, что инновационная архитектура кабеля напрямую влияет на реальные проблемы эксплуатации термоядерных реакторов будущего.
«В реальной коммерческой установке по производству термоядерной энергии интенсивное тепло и излучение глубоко внутри реактора потребуют регулярной замены компонентов», — говорит он. «Возможность разобрать эти соединения и снова собрать их вместе — это значительный шаг к тому, чтобы сделать слияние экономически эффективным предложением».
Тестирование
12 кабелей VIPER, спроектированных командой Хартвига, длиной от одного до 12 метров, были оценены с помощью испытаний на изгиб, тысяч внезапных механических циклов «включения-выключения», нескольких криогенных термических циклов и десятков событий, подобных гашению. Группа успешно завершила четыре многонедельные испытательные кампании в течение четырех месяцев на объекте SULTAN, ведущем центре оценки сверхпроводящих кабелей, управляемом швейцарским плазменным центром, аффилированным с политехнической школой Лозанны в Швейцарии.
«Эта беспрецедентная частота испытаний HTS-кабелей в SULTAN показывает, с какой скоростью может развиваться технология выдающейся командой, стремящейся действовать быстро, с готовностью идти на риск и имеющимися ресурсами», — говорит Хартвиг.
Это чувство, которое служит основой проекта SPARC.
Команда SPARC продолжает совершенствовать кабель VIPER и переходит к следующему этапу проекта в середине 2021 года : «Мы создадим многотонную модельную катушку, которая будет похожа на размер полномасштабного магнита для SPARC», — говорит Сорбом.
Эта исследовательская деятельность продолжит продвижение основных магнитных технологий для SPARC и позволит продемонстрировать чистую энергию от синтеза, что является ключевым достижением, которое свидетельствует о том, что синтез является жизнеспособной энергетической технологией.
«Это будет переломный момент для термоядерной энергии», — говорит Хартвиг.
